應(yīng)用極化/去極化電流法評估變壓器油紙絕緣水分含量

白吉昌，王林，彭永洪，李永軍，馬強(qiáng)，周利軍

(1.國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

當(dāng)前油紙絕緣系統(tǒng)普遍應(yīng)用于電力變壓器中，其絕緣狀態(tài)的好壞對電力變壓器正常運(yùn)行有著重大影響［1－6］，大量研究資料表明:電力變壓器失效的主要原因是其絕緣性能劣化所致［7，8］。水分能嚴(yán)重降低油紙絕緣的擊穿電壓，并加速油紙絕緣的老化速率，對油紙絕緣的電氣壽命和機(jī)械壽命都有嚴(yán)重影響［9－11］。因此如何準(zhǔn)確有效評估變壓器油紙絕緣水分含量，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的有效性、安全性和可靠性有著重大意義。

始于上世紀(jì)70年代的電介質(zhì)響應(yīng)法基于電介質(zhì)極化的基本原理，是一種無損的檢測手段，近年來取得較大的發(fā)展，已從實(shí)驗(yàn)室研究逐步擴(kuò)大到現(xiàn)場測試。其中，極化/去極化電流法通過對油紙絕緣系統(tǒng)進(jìn)行一定時(shí)間的充放電測試其極化/去極化電流，從而獲得油紙絕緣直流電導(dǎo)率可直接反映油紙絕緣的狀態(tài)，且具有靈敏度高、抗現(xiàn)場干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而備受廣大學(xué)者和工程師的關(guān)注［12－14］。目前對極化/去極化電流法的研究，主要集中在溫度、水分和老化等因子對極化/去極化電流的影響規(guī)律及其原因的研究［15－20］，能直接應(yīng)用于現(xiàn)場變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)評估和水分含量檢測的有效的成套測試系統(tǒng)的報(bào)道較少。

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，提出了新的反映油紙絕緣狀態(tài)的特征量—極化電導(dǎo)率，建立了時(shí)域電導(dǎo)模型，測試了油紙絕緣試品在不同溫度和水分含量條件下的極化/去極化電流，通過應(yīng)用最小二乘法對時(shí)域電導(dǎo)模型的參數(shù)進(jìn)行擬合，提出了油紙絕緣水分含量評估的方法并進(jìn)行了驗(yàn)證，為應(yīng)用極化/去極化電流法診斷變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的水分含量提供了參考。

2 時(shí)域電導(dǎo)模型

絕緣紙由纖維素交互疊加構(gòu)成，表面結(jié)構(gòu)見圖1，絕緣紙中分布著數(shù)量眾多、大小不等、形狀不相的空隙，由空氣充滿，浸油后變壓器油便填充到這些空隙中，形成了油紙絕緣。

圖1 絕緣紙表面電鏡圖

搭建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)充電電壓200V，充電時(shí)間 104s。將干燥后的絕緣紙圓板(直徑120mm)置于正負(fù)電極之間，并浸于25#新變壓器油(水分含量15ppm)中。同時(shí)為了消除邊緣效應(yīng)，在測試電極外增加了保護(hù)電極;將整個(gè)試驗(yàn)裝置置于恒溫箱中以便控制實(shí)驗(yàn)溫度。

極化/去極化電流示意圖如圖2所示，測試過程如下:

在0～tc時(shí)間內(nèi)閉合S1，斷開S2，油紙絕緣外施直流電壓U0時(shí)，通過油紙絕緣電導(dǎo)電流和各種極化產(chǎn)生位移電流疊加即為極化電流ip。

式中，Cm為幾何電容;εr為相對介電常數(shù)，σD為直流電導(dǎo)率，f(t)為時(shí)域響應(yīng)函數(shù)，Z(t)為隨充電時(shí)間變化的油紙絕緣阻抗。

在tc～td時(shí)間內(nèi)斷開S1，閉合S2，撤去外施電壓，殘余極化產(chǎn)生的位移電流即為去極化電流id。

Z(t)與油紙絕緣厚度l和截面積S有關(guān)，設(shè)油紙絕緣極化電導(dǎo)率σ(t)為

由此極化/去極化電流均可用極化電導(dǎo)率σ(t)表示。對變壓器油和纖維素絕緣材料，時(shí)域響應(yīng)函數(shù)f(t)可表示為［21］

由式(1)、(4)，極化電導(dǎo)率σ(t)可表示為

式中，A= ε0·a。

圖2 極化/去極化電流測試電路

3 溫度和水分對油紙絕緣極化電導(dǎo)率的影響規(guī)律

在不同溫度下測試得到的油紙絕緣(紙中水分含量2%)的極化/去極化電流如圖3所示。

由式3可求得油紙絕緣極化電導(dǎo)率的測試值，如圖4所示，對極化電導(dǎo)率按式(5)進(jìn)行擬合，如表1所示。溫度增加，極化電導(dǎo)率增大，時(shí)域電導(dǎo)模型參數(shù)中，σD、A2、t0均隨溫度升高而增大，n、m 隨溫度升高變化不大。溫度對油紙絕緣極化特性的影響，主要體現(xiàn)在以下兩方面:一方面增加了油紙絕緣的直流電導(dǎo)率，另一方面溫度升高，使油紙絕緣內(nèi)部分子動能增加，偶極子運(yùn)動加劇，轉(zhuǎn)向加快，弛豫時(shí)間減小，弛豫極化逐漸得以快速建立，弛豫極化增強(qiáng)，弛豫電流密度增加。同時(shí)，極性基團(tuán)更易與材料中的自由電荷(正、負(fù)離子或電子)、水分等結(jié)合，離開平衡位置，界面極化增強(qiáng)。

圖3 不同溫度下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

圖4 不同溫度下油紙絕緣的極化電導(dǎo)率測試值

表1 不同溫度下油紙絕緣的極化電導(dǎo)率與測試時(shí)間的擬合參數(shù)及優(yōu)度

圖5 不同水分下油紙絕緣的極化/去極化電流特性

60℃時(shí)紙中不同水分含量的油紙絕緣極化/去極化電流特性如圖5所示，由式(3)求得極化電導(dǎo)率的測試值，如圖6所示，對極化電導(dǎo)率按式(5)進(jìn)行擬合，如表2所示。水分含量增加，極化電導(dǎo)率增大，時(shí)域電導(dǎo)模型參數(shù)中，σD、A均隨溫度升高而增大，微水含量增加，極化/去極化電流均增大，水是強(qiáng)極性分子，對油紙絕緣極化特性的影響，主要體現(xiàn)在以下兩方面:一方面水分子提高了油紙絕緣的直流電導(dǎo)率，使得油紙絕緣內(nèi)部正負(fù)電荷的注入和遷移更加顯著，增大了傳導(dǎo)電流;另一方面一些親水性離子或基團(tuán)，與水分子結(jié)合形成附著帶電離子，更容易離開平衡位置，造成離子極化增強(qiáng);同時(shí)，水分子自身在電場作用下可形成誘導(dǎo)偶極矩，增強(qiáng)了油浸紙板的界面極化。

圖6 不同水分下油紙絕緣極化電導(dǎo)率測試值

表2 不同水分下油紙絕緣的極化電導(dǎo)率與充電時(shí)間的擬合參數(shù)及優(yōu)度

4 應(yīng)用時(shí)域電導(dǎo)模型評估油紙絕緣水分含量

從表2中可以看出，水分含量增加，時(shí)域電導(dǎo)模型參數(shù)σD均增大，兩者具有良好的一一映射關(guān)系，因此可以通過參數(shù)σD來估算變壓器油紙絕緣的水分含量。應(yīng)用最小二乘法對參數(shù)σD與水分含量進(jìn)行擬合可得60℃時(shí)直流電導(dǎo)率σD與水分含量的關(guān)系如式(6)所示。

式中:σD為直流電導(dǎo)率，pS·m－1;m 為水分含量，%。

考慮到溫度因素對直流電導(dǎo)率的影響

式中:Ea為活化能，J;T為絕對溫度，K;k為玻爾茲曼常數(shù)，1.381×1023J/K;A為與粒子運(yùn)動相關(guān)的常數(shù)。

應(yīng)用式(7)對式(6)進(jìn)行修正可得

式中:B=Ea/k，c為待求常數(shù);當(dāng)溫度為60℃、水分含量為2%時(shí)，式(8)可改寫為

于是，常數(shù)c為

將常數(shù)c代入式8中可得

當(dāng)水分含量為2%時(shí)，通過表1中直流電導(dǎo)率與溫度關(guān)系應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行擬合可得A=4.978×108，B=6513，于是直流電導(dǎo)率與溫度和水分的關(guān)系為

因此，水分含量m可表示為

中數(shù)據(jù)可得到水分含量為2%時(shí)在不同溫度下水分含量的計(jì)算值，并算出相對誤差，如表所示。從中可以看出，當(dāng)溫度較小時(shí)誤差較大，隨著溫度的增大，誤差逐漸減小。

表3 不同溫度下油紙絕緣水分含量實(shí)際值與計(jì)算值

中數(shù)據(jù)可得到60℃時(shí)不同水分含量下的計(jì)算值，并算出相對誤差，如表所示。從中可以看出，當(dāng)水分含量較大時(shí)誤差較小。

表4 不同水分下油紙絕緣水分含量實(shí)際值與計(jì)算值

綜上，通過時(shí)域電導(dǎo)模型參數(shù)σD來估算油紙絕緣水分含量的方法是可行的，且當(dāng)溫度較高、水分含量較大時(shí)誤差較小。

5 結(jié)論

(1)提出了新的時(shí)域介質(zhì)響應(yīng)特征量—極化電導(dǎo)率，其與油紙絕緣的溫度和水分含量有密切關(guān)系，可以作為評估變壓器油紙絕緣狀態(tài)的特征量。

(2)時(shí)域電導(dǎo)模型能較好地?cái)M合在溫度和水分含量條件下的油紙絕緣的極化/去極化電流特性。

(3)時(shí)域電導(dǎo)模型的參數(shù)直流電導(dǎo)率與溫度和水分含量有密切關(guān)系，可以作為評估變壓器油紙絕緣水分含量的特征量。

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